Biologisk model: Epidemi

Relaterede dokumenter
Egenværdier og egenvektorer

Besvarelser til Lineær Algebra Ordinær Eksamen Juni 2017

Chapter 3. Modulpakke 3: Egenværdier. 3.1 Indledning

Diagonalisering. Definition (diagonaliserbar)

Modulpakke 3: Lineære Ligningssystemer

Nøgleord og begreber. Definition 15.1 Den lineære 1. ordens differentialligning er

Oversigt [S] 7.3, 7.4, 7.5, 7.6; [LA] 15, 16, 17

Besvarelser til Lineær Algebra Ordinær Eksamen - 5. Januar 2018

Københavns Universitet, Det naturvidenskabelige Fakultet. Forelæsningsnote 8. (NB: Noten er ikke en del af pensum)

Besvarelser til Lineær Algebra Reeksamen August 2016

Oversigt [LA] 10, 11; [S] 9.3

Skriftlig eksamen Vejledende besvarelse MATEMATIK B (MM02)

Besvarelser til Lineær Algebra Ordinær Eksamen Juni 2018

Lineær algebra: Egenværdier, egenvektorer, diagonalisering

Tidligere Eksamensopgaver MM505 Lineær Algebra

Ekstremum for funktion af flere variable

Reeksamen i Lineær Algebra. Første Studieår ved Det Tekniske Fakultet for IT og Design samt Det Ingeniør- og Naturvidenskabelige Fakultet

Anvendt Lineær Algebra

2010 Matematik 2A hold 4 : Prøveeksamen juni 2010

Symmetriske og ortogonale matricer Uge 7

Symmetriske og ortogonale matricer Uge 6

Lineær Algebra eksamen, noter

Eksempel på 2-timersprøve 1 Løsninger

Besvarelser til Lineær Algebra med Anvendelser Ordinær Eksamen 2016

Lineære 1. ordens differentialligningssystemer

Nøgleord og begreber Separable ligninger 1. ordens lineær ligning August 2002, opgave 7 Rovdyr-Byttedyr system 1. ordens lineært system Opgave

Eksempel på 2-timersprøve 2 Løsninger

Besvarelse af Eksamensopgaver Juni 2005 i Matematik H1

Matricer og lineære ligningssystemer

To find the English version of the exam, please read from the other end! Eksamen i Lineær Algebra

Lokalt ekstremum DiploMat 01905

Lineær algebra Kursusgang 6

DesignMat Uge 4 Systemer af lineære differentialligninger I

Besvarelser til Lineær Algebra Ordinær eksamen - 6. Juni 2016

DesignMat Uge 5 Systemer af lineære differentialligninger II

Uge 11 Lille Dag. Opgaver til OPGAVER 1. Det ortogonale komplement

x 2 + y 2 dx dy. f(x, y) = ln(x 2 + y 2 ) + 2 1) Angiv en ligning for tangentplanen til fladen z = f(x, y) i punktet

Symmetriske matricer

Matematik A. Studentereksamen. Forberedelsesmateriale. Digital eksamensopgave med adgang til internettet

To find the English version of the exam, please read from the other end! Eksamen i Lineær Algebra

DesignMat Uge 1 Gensyn med forårets stof

Sylvesters kriterium. Nej, ikke mit kriterium. Sætning 9. Rasmus Sylvester Bryder

Eksamen i Lineær Algebra

(Prøve)eksamen i Lineær Algebra

Oversigt [S] 7.3, 7.4, 7.5, 7.6; [DL] 1, 2

9.1 Egenværdier og egenvektorer

Eksamen i Lineær Algebra

Lineære 1. ordens differentialligningssystemer

Eksamen i Lineær Algebra

Ekstremumsbestemmelse

Eksamen i Lineær Algebra

LiA 5 Side 0. Lineær algebra Kursusgang 5

Eksamen i Lineær Algebra. Første Studieår ved Det Tekniske Fakultet for IT og Design samt Det Ingeniør- og Naturvidenskabelige Fakultet

Reeksamen i Lineær Algebra

Lineære 1. ordens differentialligningssystemer

Uge 6 Store Dag. Opgaver til OPGAVER 1. Opgave 1 Udregning af determinant. Håndregning Der er givet matricen A =

Oversigt Matematik Alfa 1, August 2002

Reeksamen i Lineær Algebra

Oversigt [LA] 11, 12, 13

3.1 Baser og dimension

Epidemier og epidemimodeller Studieretningsprojekt i matematik A og biologi A (+ evt. historie A).

Eksamen i Lineær Algebra

Eksamen i Lineær Algebra

Den todimensionale normalfordeling

Sandt/falsk-opgave: Diskuter opgave 23 side 12 i gruppen, men husk at begrunde jeres svar, som teksten før opgave 23 kræver!

Eksamen i Lineær Algebra

Teoretiske Øvelsesopgaver:

Lineær Algebra F08, MØ

Calculus Uge

Indhold. 5. Vektorrum og matricer Koordinattransformationer

Noter til An0 DIFFERENTIALLIGNINGER MED KONSTANTE KOEFFICIENTER

Besvarelser til de to blokke opgaver på Ugeseddel 7

Figur. To ligninger i to ubekendte. Definition Ved m lineære ligninger med n ubekendte forstås. Definition 6.4 Givet ligningssystemet

Lineær Algebra - Beviser

Lineær algebra 1. kursusgang

Sætning (Kædereglen) For f(u), u = g(x) differentiable er den sammensatte funktion F = f g differentiabel med

Egenværdier og egenvektorer

J n (λ) = dvs. n n-jordan blokken med λ i diagonalen. Proposition 1.2. For k 0 gælder. nullity (J n (λ) λi) k 1) 1 for 1 k n. n for k n.

12.1 Cayley-Hamilton-Sætningen

EKSAMENSOPGAVELØSNINGER CALCULUS 2 (2005) JANUAR 2006 AARHUS UNIVERSITET.. Beregn den retningsafledede D u f(0, 0).

(Prøve)eksamen i Lineær Algebra

Symmetriske matricer. enote Skalarprodukt

Affine rum. a 1 u 1 + a 2 u 2 + a 3 u 3 = a 1 u 1 + (1 a 1 )( u 2 + a 3. + a 3. u 3 ) 1 a 1. Da a 2

Det Ingeniør-, Natur- og Sundhedsvidenskabelige basisår Matematik 2A, Forår 2007, Hold 4 Opgave A Kommenteret version

Rækkeudvikling - Inertialsystem. John V Petersen

Københavns Universitet, Det naturvidenskabelige Fakultet. Afleveringsopgave 4

Noter til Lineær Algebra

Nøgleord og begreber Ortogonalt komplement Tømrerprincippet. [LA] 13 Ortogonal projektion

Eksamen i Lineær Algebra

Eksempler Determinanten af en kvadratisk matrix. Calculus Uge

Opgave 1 Lad R betegne kvartcirkelskiven x 2 + y 2 4, x 0, y 0. (Tegn.) Udregn R x2 y da. Løsning y. Opgave 1 - figur. Calculus Uge 50.

Forelæsningsnoter til. Lineær Algebra. Niels Vigand Pedersen. Udgivet af. Asmus L. Schmidt. Københavns Universitet Matematisk Afdeling

Oversigt [LA] 6, 7, 8

standard normalfordelingen på R 2.

Noter til Perspektiver i Matematikken

Underrum - generaliserede linjer og planer

Prøveeksamen A i Lineær Algebra

DesignMat. Preben Alsholm. September Egenværdier og Egenvektorer. Preben Alsholm. Egenværdier og Egenvektorer

Noter til LinAlgNat på KU (Lineær Algebra i Naturvidenskab)

Kvadratiske matricer. enote Kvadratiske matricer

Transkript:

C1.2 C.7 Se forklaring i Appendiks A 1, si. 9 Biologisk model: Epidemi af John V. Petersen 1. Biologisk model: Epidemi... si. 1 A. Appendiks A 1. Ligninger si. 1, forklaring... si. 9 A 2. Egenvektorer q 3... si. 1 A 3. Bevis for Sætning 1, si. 6... si. 11 A 4. Vise sammenhængen x t A t x... si. 12 Eksempel på model der beskriver udviklingen for en epidemi. Den kan brugeil at finde en estimeret fordeling for raske, syge, døde og helbredte i en population. Det gøres udfra en startfordeling for disse grupper. Til at løse problemet vil vi bruge matricer. Vi får igen brug for at diagonalisere en matrix. Desuden for vi brug for gentagne potensopløftninger af matricen. Og det er netop meget meget nemmere, når matricen er diagonaliseret. I en population betragtes en epidemi af en smitsom sygdom. Populationen tænkes opdelt uge for uge i 4 grupper: raske, syge, døde og helbredte (og, antager vi, dermed immune). Variable : raske i uge t : syge i uge t : døde i uge t h t : helbredte i uge t Antagelser En rask har 2 % risiko for at blive syg efter en uge En syg har 1 % risiko for at dø efter en uge En syg har 2 % chance for at være helbredt efter en uge Ligninger C1.8 C1.1 C h tc1.2 C h t Biologisk model: Epidemi af John V. Petersen 13-5-21 side 1 / 12

Ligninger på matrixform C1.8... x tc1 C1 C1.2.7....1 1.. h tc1..2. 1. h t Kompakt notation x tc1 A x t Hvis A er diagonaliserbar, så ved vi, fra artikel a. ovenfor, at der findes en regulær matrix P så søjlerne i P netop er egenvektorerne hørende til egenværdierne for A. Matricen P diagonaliserer A, og P er netop basisskiftematricen hørende til basisskiftet fra den naturlige basiil basen bestående af egenvektorer for A. Vi finder først egenværdierne for matricen A, λ 1, λ 2, λ 3 og λ 4 q 1. Så kan vi diagonalisere A. A P D P K1 5 D P K1 A P samt de tilhørende egenvektorer Vi lader x t, og betragter modellen h t x tc1 A x t, hvor matricen A er givet ved A.8....2.7....1 1....2. 1. Modellen kan også skrives som x t A t x Biologisk model: Epidemi af John V. Petersen 13-5-21 side 2 / 12

Vi skal nu bestemme egenværdier og egenvektorer for A, og diagonalisere A. Det vil vi så bruge til at forudsige, hvad der sker i det lange løb i epidemimodellen. Bestemmelse af egenværdier:.8 Kλ... det A -λ E det.2.7 Kλ....1 1. Kλ...2. 1. Kλ Da ( A Kλ E er en nedre trekantsmatrix, gælder det A -λ E.8 Kλ) (.7 Kλ) (1. Kλ) 1. Kλ) og egenværdierne findeil λ 1.8, λ 2.7, λ 3 1. dobbeltrod Bestemmelse af egenvektorer: Vi vil finde egenvektorerne q 1 hørende til egenværdierne λ 1, λ 2, λ 3 og λ 4. Det gør vi ved at finde nulrummet for matricen AKλ I, dvs. løse AKλ I $x. x x 1, x 2, x 3, x 4 T For λ 1.8 : Vi finder nulrummet for AK.8 I.....2 K.1....1.2...2..2 AK.8 I.....2 K.1....1.2...2..2 Biologisk model: Epidemi af John V. Petersen 13-5-21 side 3 / 12

.....2 K.1....1.2...2..2 I den nederste række, ses det, at t$ K1 x 2 og t$1 x 4 I række 3, ses det desuden, at t$.5 x 3 Og i række 2, ses det så, at t$ K.5 x 1 Så egenvektorerne hørende til λ 1.8 e$q 1, hvor q 1 K.5, K1.,.5, 1. T Tilsvarende er egenvektorerne hørende til λ 2.7 e$q 2, hvor q 2., K1.5,.5, 1. T Egenvektorerne hørende til λ 3 1. e 1 $q 3 C t 2 $q 4, hvor q 3.,., 1.,. T.,.,., 1. T (Se udregning af q 3 i Appendiks A 2, si. 1) De fire egenvektorer q 1 er lineært uafhængige og dermed er A diagonaliserbar. Vi har A P D P K1 hvor og D P K1 A P P K.5... K1. K1.5...5.5 1.. 1. 1.. 1. D.8.....7.... 1..... 1. Biologisk model: Epidemi af John V. Petersen 13-5-21 side 4 / 12

Vi prøver lige om vi har regnet rigtigt: Vi udfører matrixmultiplikationen A P D P K1 P K1 K2... 1.333... K.666......333....333... 1...666....666.... 1. K.5....8... K2... P D P K1 K1. K1.5...5.5 1....7.... 1.. 1.333... K.666......333....333... 1.. 1. 1.. 1.... 1..666....666.... 1..844....24.699999999999999845.. K1.112232462515654 1-16.161 1.. K2.2244649253138 1-16.2122. 1..8....2.7....1 1....2. 1. A dvs. A P D P K1 OK. Biologisk model: Epidemi af John V. Petersen 13-5-21 side 5 / 12

Vi vil nu se på, hvad der sker i det lange løb i vores epidemimodel: Først vil jeg minde om følgende: Sætning 1 A t P D t P K1, fo R 1 (1) Se Bevis for sætning 1 i Appendiks A 3, si. 11 x er startfordelingen af raske, syge, døde og helbredte. Vi anvender matricen A t på x : Vi har fra tidligere x tc1 A x t. Når vi nu anvender matricen A t på x, får vi tilsvarende x t A t x. Se evt. i Appendiks A 4, si. 12 dvs. x t A t x P D t P K1 x D er en diagonalmatrix, så.8 t... D t..7 t.... 1. t.... 1. t lim t/n x t t/n lim A t x P 1 P K1 x, har brugt (1) 1 Dvs. x t A t x P 1 1 P K1 x fo /N Biologisk model: Epidemi af John V. Petersen 13-5-21 side 6 / 12

K.5... K2... x t K1. K1.5...5.5 1.. 1 1.333... K.666......333....333... 1.. x 1. 1.. 1. 1.666....666.... 1..........333333333333333315.33333333333333337 1...66666666666666663.666666666666666741. 1. x.........333333333333333315.33333333333333337 1...66666666666666663.666666666666666741. 1. r s d h...333333333333333315$r C.33333333333333337$s C1.$ d.66666666666666663$r C.666666666666666741$ s C1.$ h fo /N dvs.. x t..333333333333333315$ r C.33333333333333337$ s C1.$ d fo /N h t.66666666666666663$ r C.666666666666666741$ s C1.$ h Biologisk model: Epidemi af John V. Petersen 13-5-21 side 7 / 12

Resultatet fra forrige side:. x t..333333333333333315$ r C.33333333333333337$ s C1.$ d fo /N h t.66666666666666663$ r C.666666666666666741$ s C1.$ h Eller: x t 1 3 $ r C s C d fo /N h t 2 3 $ r C s C h Bemærk, at efter denne model vil der efte uger (t er stor), være udelukkende helbredte (immune raske) eller døde. Der er ingen raske (ikke immune) som kan blive syge igen, og ingen der vedbliver at være syge. Dvs. alle i populationen er blevet smittet og blevet syge. Og efte uger er de enten døde eller helt helbredte (immune), ift. lige præcis denne smitsomme sygdom. En estimeret fordeling x t udfra en startfordeling x : Nu kan vi, udfra en startfordeling af raske, syge, døde og helbredte, nemt udregne hvilken fordeling af disse grupper der er, t uger efter starttidspunktet: r 1 Hvis x s d da gælder x t / 33 fo / N h h t 67 Dvs. hvis vi har en startfordeling med 1 raske, og ingen syge, døde eller helbredte, så vil der efte uger (hvo er stor) være 33 døde og 67 helbredte i denne population. Biologisk model: Epidemi af John V. Petersen 13-5-21 side 8 / 12

A. Appendiks A 1. Ligninger si. 1, forklaring Ligningerne for ugen ( tc1 er er opstillet, så vi går ud fra en tilfældig uge t, og ser hvilken fordeling af raske, syge, døde og heldredte der så er en uge efter. Antagelser En rask har 2 % risiko for at blive syg efter en uge En syg har 1 % risiko for at dø efter en uge En syg har 2 % chance for at være helbredt efter en uge De helbredte, antager vi, er blevet immune. Hvis vi starter i uge, er ligningerne ret simple: r 1.8 r : s 1.2 r : d 1 : h 1 : Ved start uge, er alle i populationen raske. Ingen er syge, døde eller helbredte set ift. epidemien. Fra uge til uge 1, er der 2 % som bliver syge r 1.8 r Efter den første uge, er der kun sket det, at 2 % raske er blevet syge s 1.2 r Der er kun gået een uge fra start i uge. Alt der er sket, er at 2 % er blevet syge. Der er ikke gået en uge, hvor en syg kunne risikere at dø d 1 Som ovenfor: Der er ikke gået en uge mere, så nogen syge kan være blevet helbredt h 1 Men lad os nu se på, en tilfældig uge ( tc 1 med udgangspunkt i ugen tidligere, uge t : C1.8 : Der er 2 % risiko for at blive syg efter en uge. Dvs. der er 2 % færre raske en uge efter.8$ C1.2 C.7 : 2 % af de raske ugen før, er nu syge.2 Ud af de, som var syge i uge t, er der 2 % som er helbredt, og 1 % som er døde.7 C1.1 C De som var døde i uge t, er stadig døde Og der er 1 % af de syge i uge t, som er døde.1 h tc1.2 C h t De som var helbredt i uge t, er immune, og derfor stadig helbredt h t Og der er 2 % af de syge i uge t, som ν er helbredt /.2 Biologisk model: Epidemi af John V. Petersen 13-5-21 side 9 / 12

A 2. Egenvektorer q 3 Egenvektorerne hørende til dobbeltroden λ 3 1. AK1. I.8 K1.....2.7 K1.....1 1. K1....2. 1. K1. K.2....2 K.3....1....2.. Det ses, umiddelbart at x 1 x 2, x x 1, x 2, x 3, x 4 T x 3 og x 4 skal blot vælges, så q 3 er lineært uafhængige. Og q 1 skal være lineært uafhængige. Så vi kan blot vælge q 3 til at være den "naturlige" basis e 3 q 3,, 1, Og vi vælgeilsvarende q 4 til at være e 4 q 4,,, 1 T. T. Egenvoktorerne q 1 er netop søjlerne i P. Så P K.5... K1. K1.5...5.5 1.. 1. 1.. 1. Da P er en nedre trekantsmatrix er determinanten af P : det (P ) K.5 $ K1.5 $ 1. 2.75 s 5 at q 1 er lineært uafhængige. Så vi har fundet lineært uafhængige egenvektorer q 1 inklusiv q 3. Biologisk model: Epidemi af John V. Petersen 13-5-21 side 1 / 12

A 3. Bevis for Sætning 1, si. 6 Sætning 1 Lad A være en n n matrix. Hvis A er diagonaliserbar, kan den skrives som: A P D P K1, hvor P er en regulær matrix, og D er en diagonalmatrix. Så gælder der, at A t P D t P K1, fo R 1, t 2 ;. Vi definerer forskriften: p t : A t P D t P K1, fo 2; p 1 : A 1 P D 1 P K1 (det er blot diagonaliseringen af A : A P D P K1 ) p tc1 : A tc1 P D tc1 P K1 Bevis: Hvis Beviset føres som et induktionsbevis. p 1 er sandt p t p tc1 [induktionsstarten] [induktionstrinnet] så gælder p t for alle t 2 ;. Hvis vi kan vise, at p 1 er sandt. Så antage at p t er sandt. Og derefter vise p t p tc1 ------------------------------------------------------------------------- Kan vi sluttelig konkludere, at p t er sandt for alle t 2 ;., p 1 : A 1 P D 1 P K1. Induktionsstarten. Vi ved, at p 1 er sandt. (A P D P K1 ) #, Nu antager vi: p t er sand. Vi skal så vise, at p t p t C1 Induktionsskridtet. Vi har givet: A t P D t P K1 5 P K1 A t P D t. (Vi ved også, at P K1 A P D. ) P D tc1 P K1 P D t D P K1 P P K1 A t P ( P K1 A P P K1 ( P P K1 A t P P K1 A P P K1 E A t E A E a A t A A tc1. # dvs. A tc1 P D tc1 P K1. [ Vi har vist: Givet p t p tc1 Vi konkluderer: p t er sandt for alle t 2 ;. # A a E A t E A E A t A E A t A E A t A Biologisk model: Epidemi af John V. Petersen 13-5-21 side 11 / 12

A 4. Vise sammenhængen x t At x Vi har fra tidligere (si. 2, øverst): x tc1 A x t. ( 1 ) Nu starter vi med x og anvender matricen A på x : Hvis vi i ( 1 ) sætte, har vi: x 1 A x x 2 A x 1 A2 x dvs. x 2 A2 x x 3 A3 x,,, x t A t x Biologisk model: Epidemi af John V. Petersen 13-5-21 side 12 / 12